UNIVERZITET U NOVOM SADU PRIRODNO-MATEMATICKI FAKULTET DEPARTMAN ZA FIZIKU yhmbbp3h!e] V notiowl CAJ4V npmpoflho-iwatemath* Kt'/l OAKYDTE1 nphmfbeho: 1 2 AflP 2005 i OPrAHM3.JEfl! & P O J Generisanje elektricnih signala u Ijudskom organizmu. Elektricni signali srca - diplomski rad - Autor: Melinda Andrasi Mentor: prof, dr Slobodanka Stankovic Novi Sad, 2005. godine
Koristim priliku da se zahvalim: Prof, dr Slobodanki Stankovic, redovnom profesoru Prirodno-matematickog fakulteta u Novom Sadu; mentoru ovog rada; na svesrdnoj pomoci kao i nizu korisnih sugestija koje su bile od neprocenjive vrednosti tokom izrade ovog rada, Dr Dimitriju Doncenku, internisti-kardiologu Opste bolnice u Subotici, na strucnim sugestijama i interpretaciji rezultata kardioloskih ispitivanja, Dr Duli Takac, vaskularnom hirurgu Opste bolnice u Subotici, na pomoci i informacijama o ugradenim pejsmejkerima
SADRZAJ 1. Uvod 1 2. Transport supstancije kroz membranu 2 2.1. Pasivni transport 2 2.2. Olaksani transport 4 2.3. Aktivni transport 4 2.4. Nernstovajednacina 5 3. Elektricni signal! u organizmu 8 3.1. Membranski potencijal 8 3.2. Akcioni potencijal 10 3.2.1. Samoekscitacija 11 3.3. Elektrografija 12 3.4. Elektricni signal! srca 13 3.4.1. Osnovianatomijesrca 13 3.4.2. Akcioni potencijali srcanihcelija 14 3.4.3. Povezanost ekscitacije i kontrakcije. Molekularnaosnovakontrakcije 15 3.4.4. Odvijanje aktivacije normalnog srca 17 3.4.5. Distribucija potencijala na povrsini grudnog kosa 19 3.4.6. Elektricnopoljedipola 20 4. Registrovanje elektricnih signala 21 4.1. Elektrode 21 4.1.1. Elektrohemijski procesi 21 4.1.2. Kontaktni potencijal 22 4.1.3. Polarizacijaelektroda 23 4.2. Merenjebiopotencijala 24 4.3. Pojacavanje elektricnih signala 26 4.3.1. Amplitudna karakteristika 27 4.3.2. Frekventna karakteristika 27 4.4. Aparatizaregistrovanje elektricnih signala 28 4.4.1. Ajnthofenovgalvanometar 28 4.5. Metode za registrovanje elektrokardiograma 29 4.5.1. Bipolarni odvodi sa ekstremiteta 30 4.5.2. Unipolarni ekstremitetni odvodi 30 4.5.3. Unipolarni prekordijalni odvodi 31 4.6. Karakteristike normalnog elektrokardiograma 32 4.7. Eksperimentalni rezultati 34 5. Pejsmejkeri 37 5.1. Osnovi elektricne stimulacije 37 5.2. Pejsmejkeri 38 5.2.1. Izvornapajanja 38 5.2.2. Generator impulsa 39 5.2.3. Sistem elektroda 40 5.2.4. Principradapejsmejkera 40 6. Zakljucak. 43 7. Literatura 44
1. UVOD Sa stanovista medicine postoje dva aspekta razmatranja elektriciteta: Elektricni efekti generisani u ljudskom organizmu, prvenstveno primenjeni u dijagnostic!; cemu ce ovaj rad najvecim svojim delom biti posvecen Primena elektriciteta na ljudski organizam, u sluzbi dijagnostike i terapije U osnovi stvari, ma kakva funkcija ljudskog organizma, ili njegovih delova, pracena je odgovarajucom promenom raspodele naelektrisanja. Ova promena moze se u vidu elektricnog signala prostirati kroz nervni sistem. Mozak, kao centralni kompjuter, prima unutrasnje i spoljasnje signale, te salje odgovore takode u vidu elektricnih signala duz nerava. Nervni sistem predstavlja jedan efikasni komunikacioni sistem, koji je u stanju velikom brzinom da upravlja sa vise miliona informacija istovremeno. Generisanje elektricnih signala u organizmu, obezbeduje niz njegovih specijalnih funkcija. Elektricitet, generisan u ljudskom organizmu, sluzi za kontrolu i funkcionisanje nerava, misica i organa. Selektivnim merenjem specificnog signala, nastalog u organizmu kao rezultat elektricne aktivnosti bioloske sredine, bez unosenja bilo kakvog poremecaja u normalno funkcionisanje organizma, mozemo dobiti korisne klinicke informacije o pojedinim funkcijama. Na taj nacin se mogu registrovati elektricni signali srca, mozga, oka i misicnih aktivnosti. Teznja ovog rada je da priblizi modalitete generisanja elektricnih signala u ljudskom organizmu, te nacine na koji isti omogucavaju funkcionisanje srca, ali svakako i njihovo registrovanje. Poseban deo rada posvecen je funkcionisanju pejsmejkera (pacemaker). - 1 -
2. TRANSPORT SUPSTANCIJE KROZ MEMBRANU Intracelularna tecnost zive celije i njena okolina (ekstracelularna tecnost) sadrze razlicite elektrolite nejednakih koncentracija. Pored razlicitih koncentracija nedifuzibilnih anjona, takode i koncentracije difuzibilnih jona se razlikuju. Bioloska membrana (biomembrana) je opnast gusti sloj organskih supstancija, lipida i belancevina, koji odvaja odredenu biolosku sredinu od njene okoline. Debljina biomembrana iznosi nekoliko dijametara molekula i reda je velicine nanometra. Odlikuje se aktivnoscu i selektivnoscu (polupropustljivoscu, odnosno propusta samo odredene vrste molekula), te poseduje znacajna fizicka svojstva, kao sto su: velika cvrstina i elasticnost ali i izuzetna elektricna i toplotna izolatorska svojstva. Kroz celijsku membranu se odvija razmena supstancije izmedu celije i njene okoline. Transport supstancije [1] kroz bioloske membrane moze se vrsiti na vise nacina. To su: pasivni transport, olaksani transport, prolazenje molekula kroz pore i aktivni transport. Prolazenje molekula kroz pore se javlja samo u slucajevima kada je dijametar molekula manji od dijametra pore. 2.1. Pasivni transport Pasivni transport predstavlja prostu difuziju cestica kroz membranu pod dejstvom gradijenta koncentracije. Posmatrajmo dugu uzanu cev u kojoj membrana debljine Ax razdvaja rastvor vece koncentracije c, od rastvora manje koncentracije c2 (slika 2.1.1.), tako da se moze smatrati da je fluks cestica iz jedne u drugu sredinu jednodimenzionalan. Posle izvesnog vremena u cevi ce se uspostaviti stacionarno stanje u kome ce distribucija koncentracije duz ose cevi biti konstantna tokom vremena. Priblizan izgled ove distribucije prikazan je na grafikonu slike. Koncentracije cestica na pocetku J>j 1 (c,) i na kraju cevi (c ) su konstantne i -,_ 1 CM i \ v Nr r * */ 1 : "" I 1 ^ poznate, tejepoznatai njihova razlika: j ' " ~"f" J_._4C --,._.., c, 1 H 1 1 1 r 1 1 II III. _ II 1 III II 1 1 ) 1 1! : 1.1 1 1 j, t 1 1! IM III II *.JI III IMHll :th> III Kill 1 1 1 1 1 1 1, 1 i I I I 1 1i 1 i i \ 11 \, f^' A ^,?c *i X, vi Iff c* i i i { i i A( Slika 2.1.1. Grafik zavisnosti koncentracije od udaljenosti od celijske membrane N 1 1 X..' Ac = c, - c-. U okolini spoljnih povrsina membrane, koncentracije se postepeno menjaju. Oblasti u kojima je ova promena izrazenija predstavljaju difuzione slojeve (dj i d2, prikazani na slici), cija je debljina od 10-100 ^m, sto znaci da im dimenzije mogu znatno prevazilaziti debljinu same membrane. Razlika koncentracija rastvora u neposrednoj okolini membrane (Ac') je manja od razlike koncentracije na krajevima cevi i proporcionalna je njoj, odnosno, Ac'=a -Ac gde je a koeficijent proporcionalnosti (a<l), koji je utoliko manji ukoliko je veca brzina difuzije delica kroz membranu. -2-
Na granicnim povrsinama izmedu membrane i rastvora javljaju se skokovi u koncentracijama, koji nisu posledica difuzije, vec prelazenja molekula iz vodenog rastvora hidrofilnih karakteristika u hidrofobnu sredinu membrane, zavisno od afmiteta molekula. Polarni hidrofilni molekuli se tesko tope u hidrofobnom mediju membrane pa radije ostaju u vodi, dok ce hidrofobni molekuli radije prelaziti u membranu. Relacija koja povezuje koncentraciju cestica sa unutrasnje strane povrsine membrane Ac" i sa spoljasnje strane Ac' data je kao: gde je p koeficijent proporcionalnosti i naziva se koeficijent particije. Njegova vrednost varira u sirokom intervalu. Za hidrofilne molekule vrednost mu je veca od jedan, dok je za hidrofobne manja od jedan. Prethodne dve relacije omogucuju da se nepoznata razlika koncentracija unutar celijske membrane Ac" izrazi preko poznate koncentracije na krajevima cevi Ac i koeficijenata cija je vrednost za odredenu vrstu molekula poznata, odnosno: Ac"=o-/>- Ac Za difuziju unutar membrane vazice Fikov zakon difuzije, koji se odnosi na rezultujuci fluks u stacionarnom stanju: *_=-/»*' Ax gde <&m oznacava maseni tok (kolicinu supstancije koja prode kroz neku povrsinu u jedinici vremena), D je difuziona konstanta koja zavisi od vrste difundujucih cestica i sredine kroz koju one difunduju, S je povrsina poprecnog preseka cevi, a Ac"/Ax oznacava promenu koncentracije duz pravca u kome se prenosi supstancija. Znak minus se javlja kao posledica cinjenice da se transport supstancije vrsi u smeru suprotnom od porasta koncentracije. Ako umesto nepoznate razlike koncentracije unutar membrane Ac" uvedemo Ac kao neposredno merljivu velicinu, dobicemo: Maseni tok po jedinici povrsine predstavlja gustinu masenog toka, u stacionarnom stanju dat izrazom O jm =, te ce gustina masenog toka u stacionarnom stanju biti: ij Ac Ax Dap / _ N J m j. \ 2 / Ax Zamenom svih konstantnih vrednosti u prethodnom izrazu (ukljucujuci i debljinu membrane) jedinstvenim koeficijentom P =, koji predstavlja koeficijent permeabilnosti membrane i zavisi od Ax osobina membrane kao i difundujucih cestica, za gustinu masenog toka dobijamo, konacno: -3-
U slucaju kada cestice poseduju izvesnu kolicinu naelektrisanja, kretanje takvih cestica predstavlja elektricnu struju. Struja koja nastaje usled difuzije naziva se difuziona struja [12]. Posto se jacina struje defmise kao kolicina naelektrisanja koja protekne kroz neku povrsinu u jedinici vremena, za jacinu struje dobijamo (ako je naelektrisanje jedne od tih cestica q): Ax 2.2. Olaksani transport Mehanizam olaksanog transporta, koji se jos naziva i potpomognuta difuzija [1], sastoji se u tome da se cesticama koje zbog nekih osobina ne mogu samostalno da difunduju kroz membranu, omoguci to vezivanjem za neke molekule tzv. nosioce, koji se nalaze u membrani. To se pre svega odnosi na hidrofilne molekule koji se, kako je ranije vec izlozeno, tesko tope u membrani. Vezivanjem ovih molekula za nosace formiraju se hidrofobni kompleksi, koji lako prolaze kroz membranu. Gustina masenog fluksa kod olaksanog transporta zavisi ne samo od razlike koncentracija sa jedne i druge strane membrane (kao sto je to kod pasivnog transporta), vec i od koncentracije, odnosno raspolozivog broja molekula nosioca u membrani. 2.3. Aktivni transport Za razliku od pasivnog i olaksanog transporta, aktivni transport supstancije se odvija u smeru porasta koncentracije, tj. od manje ka vecoj koncentraciji. Za ovakav proces pri kome se vrsi rad, potrebno je dovoditi odredenu kolicinu energije. Mada ne postoji tacno definisano fizicko tumacenje, smatra se da se aktivni transport realizuje kao rezultat oslobadanja energije pri hidrolizi jedinjenja ATP (adenozin-tri-fosfat). Hidroliza ATP-a se na temperaturi od 37 C (normalna telesna temperatura) odvija prema semi: ATP + H2O-»ADP + P 2.3.1 gde je P jon fosfatne kiseline, dokje ADP jedinjenje adenozin-di-fosfat. Promena slobodne entalpije biohemijske reakcije moze se definisati kao: U skladu sa ovim, razlikujemo sledece slucajeve: proizvoda ~~ * reaktanata pri AG=0, ni za kakvu promenu ili reakciju na stalnoj temperaturi i stalnom pritisku, ne moze se dobiti efektivan rad; kada je AG>0, tada je neophodno utrositi izvestan rad da bi se reakcija odigrala; kada je AG<0, tada se reakcija spontano odvija uz dobijanje korisnog rada, odnosno oslobadjanje energije. Dobijena vrednost promene slobodne entalpije reakcije (2.3.1.) je AG=-30.5 kj/mol. Znatno smanjenje slobodne entalpije pri hidrolizi ATP dovodi do zakljucka da je ovo jedinjenje bogato energijom. Utroseni ATP se resintetise iz ADP, adicijom jedne fosfatne grupe u toku razgradnje hranljivih materija. -4-
2.4. Nernstova jednacina Kada neki sistem razmenjuje naelektrisanje sa okolinom, njegova unutrasnja energija se tada menja, ne samo toplotnom razmenom te vrsenjem rada nego i prirastajem broja molova dovedene komponente. Objedinjeni zakon termodinamike se moze napisati kao: hu = T-&S-p-&V + ju-kn + A.'W 2.4.1. gde je AU promena unutrasnje energije sistema pri termodinamickom procesu, T je apsolutna temperatura, AS promena entropije, pav mehanicki rad (p-pritisak, AV-promena zapremine sistema), uan hemijska energija, A'W elektricna energija. Hemijska energija predstavlja rad molekularnih sila. Proporcionalna je prirastaju broja molova (An) odredene komponente kod visekomponentnih sistema, a koeficijenat proporcionalnosti n se zove hemijski potencijal. Prema termodinamickoj definiciji hemijski potencijal i-te komponente heterogenog sistema predstavlja prirastaj energijskog sadrzaja sistema i brojno je jednak promeni proizvoljne karakteristicne funkcije (unutrasnje energije, entalpije, slobodne entalpije) sistema, kome je doveden jedan mol te komponente pri konstantnim vrednostima broja molova ostalih komponenata i odgovarajucih parametara (T, p ili S, V, itd.). Za T=const, p=const i n;=const: gde AG oznacava promenu slobodne entalpije. Hemijski potencijal se moze izraziti kao logaritam koncentracije prema izrazu ^ = ^0+RT-\nc 2.4.2. gde UQ predstavlja tzv.standardni hemijski potencijal, tj. potencijal za rastvor jedinicne koncentracije (c0 =1 mol/1) na temperaturi T=298 K i pritisku od 101325 Pa. R je gasna konstanta (8.3 J/mol K). Elektricna energija se izrazava kao &'W = E &q gde je Aq kolicina prenesenog naelektrisanja, a E je elektricni potencijal sredine s kojom se vrsi razmena naelektrisanja. Kolicina elektriciteta koju nosi svaki molekul kome nedostaje (ili pak, ima u visku) z elektrona iznosi ze (gde je e je elementarno naelektrisanje). Jedan mol ovakvih molekula nosi naelektrisanje zen (N je Avogadrov broj), odnosno zen = zf, gde je F = en = 96500 C I mol i zove se Faradejeva konstanta. Faradejeva konstanta predstavlja kolicinu elektriciteta koju nosi jedan mol jednostruko naelektrisanih jona. Kolicina elektriciteta za An molova je Ag = zfbw, a preneta elektricna energija je: Objedinjeni zakon termodinamike (2.4.1.) se uvodenjem prethodne relacije, moze napisati kao: A / = r-as-/?-af + //-Art + zfe Aw Ako su temperatura i pritisak sistema konstantni, prethodna jednacina se moze napisati u obliku: n ili AG = 7/-A«2.4.3. -5-
gde je /7 = // + zfe i zove se elektrohemijski potencijal. Elektrohemijski potencijal s obzirom na (2.4.2.) se moze napisati kao: ju=ju0 +RT-\nc + zfe 2.4.4. Sada mozemo razmotriti ponasanje sistema kao celine koga cine rastvori razlicitih koncentracija, odvojeni polupropustljivom membranom, u kojima se nalaze naelektrisani joni niskomolekularne supstancije koji mogu da produ kroz membranu, kao i naelektrisani makromolekuli za koje je membrana nepropustljiva. Ako se u odeljku A suda sa vodom nalazi rastvor natrijumhlorida NaCl, dok se u isto tolikom odeljku B nalazi odredeni koloidni rastvor natrijumove soli, na primer natrijum proteinat NazP (slika 2.4.1.), polupropustljiva membrana igra ulogu granice izmedu dve faze sistema A i B, koje predstavljaju celiju i njenu okolinu. U vodenom rastvoru NaCl disosuje na jone natrijuma i hlora (NaCl-»Na+ +C1~) a natrijum proteinat na z jona natrijuma i jon proteinata, koji je z puta negativno naelektrisan (NazP -> z Na+ + Pz~). Membrana je polupropustljiva te propusta sitnije jone, tj. Na+ i Cl", ali ne i krupne organske jone Pz~. Koncentracija difuzibilnih jona u odeljcima A i B je razlicita, sto dovodi do njihovog transporta kroz polupropustljivu membranu. Iz relacije (2.4.3) sledi: ukoliko iz faze A preko polupropustljive membrane prede An molova i-te komponente u fazu B, slobodna entalpija faze B uvecace se za AGB=/7,B-A«, dok ce se slobodna entalpija faze A TT umanjiti za AG^=/7^-A«,tako da ce ukupna promena slobodne entalpije ovog dvofaznog sistema kao celine iznositi: A B AG = AG, +AGB=(/7,B -//J- An 2.4.5. Slika 2.4.1. Sistem koga cine rastvori razlicitih koncentracija, odvojeni ^ neravnoteznom stanju tj. dok je trajao spontani polupropustljivom membranom.,,,,. r- r r> Koncentracija difuzibilnih jona u Proces Prelaska naelektnsane supstancije iz faze A u fazu B, odeljcima A ibje razlicita, sto dovodi ukupna promena slobodne entalpije je bila negativna do njihovog transporta kroz membranu. (AG < 0), te iz (2.4.5) sledi: JiiA > JiiB U ravnoteznom stanju ukupna promena slobodne entalpije je nula (AG=0), te sledi da se ravnoteza izmedu dve faze pri razmeni naelektrisanja, uspostavlja kada je ]uia = JliB. Za AG > 0 proces se ne odvija spontano. Ovaj slucaj imamo pri aktivnom transportu jona kroz biolosku membranu, i tada je ]uia<j2/b Prema tome, sistem koga cine rastvori razlicitih koncentracija odvojeni polupropustljivom membranom, preci ce iz neravnoteznog u ravnotezno stanje kada elektrohemijski potencijali difuzibilnih komponenti u oba odeljka postanu jednaki, tj. kada vazi: Na osnovu izraza (2.4.4) relacija (2.4.6) za natrijumove jone dobija oblik: +zfea = juob(^a+)+ RT lnc(na+)fl +zfeb Velicine EA i EB predstavljaju potencijale sa jedne i druge strane membrane. Posto je jon Na jednostruko pozitivan (z=+l), iz prethodne jednakosti sledi da je razlika potencijala odeljaka A i B: -6-2.4.6.
Generisanje elektricnih signala u Ijudskom organizmu-elektricni signali srca F Cesto se umesto koncentracije c koristi molarna koncentracija (broj molova rastvorene supstancije na 1000 g rastvaraca), koja se oznacava tako sto se jon stavlja u uglastu zagradu, pa je: A 27 RT 1 A = In F Na+ Na+ 2.4.7. Na slican nacin, polazeci od relacije (2.4.6.), se za jone hlora (z--l) dobija vrednost potencijalne razlike: A. -ER B = In cr cr 2.4.8. Jednacine (2.4.7) i (2.4.8) se nazivaju Nernstove jednacine. -7-
3. ELEKTRICNI SIGNALI U ORGANIZMU U sluzbi obavljanja velikog broja funkcija organizma, mnogobrojni elektricni signali se neprestano generisu te transportuju kroz nervni sistem [2]. Nervni sistem se moze podeliti na dva dela: telo neurona!endriti Centralni nervni sistem, koji se sastoji od mozga, kicmene mozdine i perifernih nerava (neurona) od kojih aferentni nervi prenose senzorsku informaciju mozgu i kicmenoj mozdini, dok eferentni nervi prenose informaciju od mozga i kicmene mozdine ka odredenim misicima ili zlezdama. Autonomni nervni sistem, kontrolise funkcionisanje unutrasnjih organa (kao sto su srce i creva) i zlezda. Slika 3.1.Sematski prikaz neurona Osnovna strukturna jedinica nervnog sistema je neuron, nervna celija specijalizovana za prijem, interpretaciju i prenos elektricnih poruka. Mada ima vise tipova, neuron se u osnovi sastoji od tela, koje prima elektricne poruke od drugih neurona preko sinapsa lociranih na telu ili dendritima i aksona, nervnog vlakna (koje moze biti dugacko i do 1m) koje prenosi elektricne signale drugim neuronima, misicnim vlaknima ili zlezdama. Aksoni se pri kraju dele na grane, na cijim se krajevima nalaze nervni zavrseci u obliku plocica. Neuron je prikazan na slici 3.1. Akson moze da prenosi elektricne signale u oba smera. Sinapse, medutim, dozvoljavaju transport signala samo u smeru od sopstvenog neurona ka drugom neuronu. Akson je obicno obavijen mijelinom, materijalom koji ima osobine izolatora. Mijelinizovana nervna vlakna malog dijametra (-10 urn), kakva su najcesce kod coveka, omogucuju veliku brzinu prostiranja signala od oko 100 m/s. Osim toga, s obzirom na mali dijametar, veliki broj ovakvih vlakana (oko 10 000) moze biti upakovan u svezanj poprecnog preseka od svega 1-2 mm2. Na taj nacin se na malom prostoru obezbeduje veliki broj kanala za simultano provodenje elektricnih signala. Na rastojanju od po nekoliko milimetra nalaze se Ranvijeovi cvorovi, gde dolazi do prekidanja mijelinskog izolatora. Signal koji je stigao u Ranvijeov cvor, je oslabljen usled otpora aksona. Ranvijeov cvor deluje kao stimulator za restauraciju elektricnog signala na njegovu prvobitnu velicinu i oblik. Na taj nacin, bez obzira na duzinu puta koji prede, informacija koju nosi signal, stize na kraj nervnog stabla nepromenjena. Elektricni signali u organizmu su rezultat elektrohemijskih aktivnosti odredenih tipova celija i poticu od promena elektricnog potencijala na membranama ovih celija. 3.1. Membranski potencijal Membranski potencijal [1], koji se naziva jos i potencijal mirovanja, je elektricni potencijal koji postoji na membranama gotovo svih celija organizma. On nastaje kao posledica dinamicke ravnoteze dva simultana transportna procesa difuzibilnih jona kroz celijsku membranu: aktivnog transporta i difuzije. Kao sto je vec receno, unutrasnjost i okolina zive celije ispunjeni su rastvorima elektrolita nejednakog sastava. Ekstracelularna tecnost sadrzi velike kolicine natrijumovih (Na+) i male kolicine kalijumovih jona (K+), dok je u u intracelularnoj tecnosti to obrnuto. Ovakav odnos je neophodan za zivot celije. Celija taj odnos obezbeduje pre svega aktivnim transportom jona natrijuma i kalijuma kroz membranu. To su tzv. natrijumova i kalijumova pumpa, koje izbacuju jone natrijuma iz celije, a -8-
ubacuju u celiju jone kalijuma. Medutim, transport natrijumovih jona je 2-5 puta intenzivniji od transporta kalijumovih jona, sto dovodi do razlike u kolicini pozitivnog naelektrisanja sa jedne i druge strane celijske membrane, odnosno do stvaranja potencijalne razlike. Vrednost potencijalne razlike za pojedine jone, tzv. Nernstov potencijal, moze se izracunati iz Nernstove jednacine. Ovde ce kao primer biti izracunat Nernstov potencijal za jone natrijuma. Nernstova jednacina u ovom slucaju moze se napisati kao: gde su Vj i V2 vrednosti potencijala unutar i izvan celije, a [Na+] i [Na+] su unutrasnja i spoljasnja molarna koncentracija natrijumovog jona. Negativan znak se javlja zbog toga sto je unutrasnja koncentracija manja od spoljasnje. Relativne vrednosti molarnih koncentracija natrijumovih jona, unutar i izvan celije, su 10 i 142 respektivno, pa uvodeci ih u gornju jednacinu kao i brojne vrednosti za gasnu i Faradejevu konstantu, uzimajuci za temperaturu vrednost normalne telesne temperature, dobijamo: Nernstov potencijal = V2-V\= +70 mv Aktivni transport jona stvara razliku u njihovoj koncentraciji. Razlika u koncentracijama dovodi do difuzije - pasivnog transporta jona, koji se odvija suprotno od smera dejstva natrijumove i kalijumove pumpe. Velicina transporta zavisi od propustljivosti celijske membrane, koja je razlicita za razlicite vrste jona, pa je propustljivost nekoliko puta manja za jone natrijuma nego za jone kalijuma. Zbog toga ce se manji broj natrijumovih jona vracati u celiju, a veci broj kalijumovih jona biti izbacen iz celije. Rezultat navedenih transporta natrijumovih i a + + Vi- V2 = - 85 mv difuzija Na~V-~~ i_>.na+ ' (10/0 ~ pumpa + (N2/0 pumpa K*-*1 7 (5/0 (140/0 - A" (150/0 A' (5/0 SIika 3.1.1. Pri dinamickoj ravnotezi u transportu jona kroz membranu aksona nastaje membranski potencijal od -85 mv; broj jona po litru dat je u zagradama. kalijumovih jona, kao i drugih difuzibilnih (ali manje znacajnih) jona, je dinamicka ravnoteza u kojoj se sa spoljasnje strane celijske membrane nalazi visak pozitivnog naelektrisanja koji uzrokuje membranski potencijal vrednosti od -60 do -90 mv zavisno od vrste celija. Membranski potencijal ima negativnu vrednost jer se on definise kao razlika izmedu unutrasnjeg i spoljasnjeg potencijala. Njegova vrednost zavisi od vise faktora: vrednosti naelektrisanja jona, propustljivosti membrane za svaki jon i koncentracije odgovarajucih jona sa obe strane membrane. Vrste i intenziteti transporta jona natrijuma i kalijuma kroz membranu aksona sematski su prikazani na slici 3.1.1. Naelektrisanja su grupisana uz samu membranu celije usled njihovog medusobnog privlacenja. Ovakav sistem pozitvnog i negativnog naelektrisanja predstavlja kondenzator kod koga celijska membrana igra ulogu dielektrika. Kako je ona veoma tanka (7-10 nm), kapacitet ovakvog kondenzatora je veliki (kapacitet je obrnuto srazmeran rastojanju izmedu ploca kondenzatora) i iznosi oko 1 up na kvadratni santimetar. -9-
3.2. Akcioni potencijal U celiskoj membrani postoje takozvani jonski kanali. Jonski kanal je uzani otvor formiran od specijalnog proteinskog molekula, koji dozvoljava specificnom jonu da prode kroz celijsku membranu. Ovi kanali su uglavnom zatvoreni, ali pod dejstvom spoljasnjeg nadrazaja dolazi do njihovog otvaranja i tada membrana postaje propustljiva (odnosno, njena permeabilnost se povecava) za odredene vrste jona. Stimulacija celijske membrane, koja moze biti elektricne, toplotne, mehanicke, hemijske i druge prirode, naglo povecava njenu propustljivost za jone natrijuma, usled cega oni vrlo brzo difunduju u unutrasnjost celije. Unutrasnja povrsina membrane na mestu nadrazaja postaje pozitivna, a spoljasnja negativna, sto dovodi do promene vrednosti membranskog potencijala. Kod aksona se vrednost menja od -85 mv ka +40 mv. Taj proces se naziva depolarizacija membrane. Promena potencijala u stimulisanoj oblasti izaziva kretanje jona [5] i dovodi do prostiranja poremecaja u odredenom smeru. U meduvremenu na mestu stimulacije, sa prestankom podrazaja, u velikom broju se otvaraju kalijumski kanali i joni kalijuma se krecu u spoljasnju sredinu da bi ponovo uspostavili vrednost membranskog potencijala. Ovaj deo procesa se naziva repolarizacija membrane. Nastali poremecaj (depolarizacija i repolarizacija membrane), odnosno promena potencijala membrane u toku V(mY) ~IOO + 100 V(mV) ~\00 t(ms) 1 3 * 5 1 2 3 4 5 V(tnV) '100 *IOO V(mV) *IOO t t» + t(ms) 3 4 5 CD Slika 3.2.1. Transmisija nervnog impulsa duz aksona. a) Akson poseduje membranski potencijal od oko -80 mv. b) Stimulacija izaziva difuziju jona natrijuma u celiju i depolarizaciju membrane, c) Dok se depolarizacija krece duz aksona, dolazi do difuzije jona kalijuma iz aksona, cime se ponovo uspostavlja membranski potencijal. d) Promena potencijala koja se krece duz aksona predstavlja akcioni potencijal. -50 - -100 - vremena, predstavlja akcioni potencijal. On se u vidu elektricnog signala prenosi od mesta nastajanja duz membrane u oba smera. Generisanje i transmisija akcionog potencijala duz aksona prikazani su na slici 3.2.1. Nastajanje akcionog potencijala [1] funkcionise na principu "sve ili nista". Da bi se pojavio potrebno je da spoljasnji podrazaj ima intenzitet iznad praga podrazaja i dovoljno vreme trajanja. Ako su ti uslovi ispunjeni akcioni potencijal ce imati uvek jednaku amplitudu i jednak oblik, karakteristican za odredenu celiju. Oblik i vreme Slika 3.2.2. Oblici akcionog potencijala: a) aksona nervne celije; b) celije nastajanja akcionog skeletnog misica i c) celije srcanog misica potencijala su razliciti za razlicite vrste celija. Na slici 3.2.2. prikazani su akcioni potencijali aksona nervne celije, celije skeletnog i celije srcanog misica. Oni se razlikuju i po amplitudi i po obliku. Osim toga, vreme nastajanja ovih potencijala je -10-
razlicito. Dok je za nastajanje akcionog potencijala aksona potrebno manje od 1 ms, a skeletnog misica oko 5 ms; istovremeno za celiju srcanog misica to vreme iznosi oko 300 ms. Akcioni potencijal u skeletnom misicu [6], kao i u aksonu nervne celije, nastaje kada se naglo otvore tzv. brzi kanali za natrijum. Ovi kanali su nazvani brzi kanali, jer su otvoreni u intervalima od svega <x 10 s, a zatim se naglo zatvaraju. Pri kraju zatvaranja kanala nastaje proces repolarizacije i akcioni potencijal se zavrsava u sledecih nekoliko desetohiljaditih delova sekunde. Sa druge strane, u srcanom misicu akcioni potencijal nastaje zbog otvaranja dve vrste kanala. To su: brzi kanali za natrijum (Na+) i spori kanali za kalcijum, takode nazvani i kalcijumsko-natrijumski (Ca2+-Na+) kanali, koji se sporije otvaraju ali ostaju otvoreni nekoliko desetih delova sekunde. Za to vreme velike kolicine kalcijumovih i natrijumovih jona i dalje ulaze kroz kanale u srcano misicno vlakno, pa se na taj nacin produzava period depolarizacije i zato kriva akcionog potencijala ima plato. Druga vazna funkcionalna razlika izmedu srcanog i skeletnog misica, koja doprinosi produzavanju akcionog potencijala i stvaranju platoa, lezi u cinjenici da se neposredno posle pocetka rasta akcionog potencijala permeabilnost membrane srcanog misica za kalijum smanjuje otprilike za pet puta, sto se ne dogada u skeletnom misicu. Moguce je da se permeabilnost za kalijum smanjuje na neki nacin zbog vrlo velikog ulaska jona kalcijuma. Smanjena permeabilnost membrane za jone kalijuma znatno smanjuje isticanje istih u toku platoa akcionog potencijala, te tako sprecava rani oporavak membrane. Kada se posle 0.2-0.3 s zatvore spori kanali za Ca +-Na+, permeabilnost membrane za jone kalijuma se vrlo brzo poveca. Srcano misicno vlakno tada naglo gubi jone kalijuma, pa se zato membranski potencijal vraca na nivo u mirovanju, tj. akcioni potencijal se zavrsava. SISTOLA DIJASTOLA REPOLARIZACIJA DEPOLARIZACIJA Ml Ca' Slika 3.2.3. a) Akcioni potencijal miokardnih fibrila; b) permeabilitet celijske membrane za jone u razlicitim fazama akcionog potencijala b) Na slici 3.2.3.a. prikazan je akcioni potencijal miokardnih fibrila (celije srcanog misica) [5], gde su razlicite faze obelezene sa 0, 1, 2, 3 i 4. Faza 0 odgovara periodu depolarizacije kada natrijumovi joni brzo ulaze u celiju. Zatim u celiju prodiru i kalcijumovi joni. Sve to dovodi do promene membranskog potencijala od -90 mv na +10 do +20 mv. U fazama 1, 2 i 3 dolazi do repolarizacije celije. Za vreme faze 4 elektricni potencijal je stabilan a celija polarizovana. Na slici 3.2.3.b. prikazana je propustljivost membrane u razlicitim fazama akcionog potencijala za jone Na+,Ca2+ i K+. Za funkciju misicnih celija je od posebnog znacaja cinjenica da bilo koja draz [7] ako bi se javila u periodu depolarizacije ili u periodu spore repolarizacije (faza 1 i 2) ne bi mogla uopste da izazove ekscitaciju celija (akcioni potencijal). Otuda je ovaj period oznacen kao period apsolutne refrakternosti. Medutim, u periodu faze brze repolarizacije (faza 3) postoji mogucnost ekscitacije, ali u posebno stvorenim uslovima i taj period je oznacen kao period relativne refrakternosti. Posle ovog perioda svaka nova draz moze da izazove punu depolarizaciju i repolarizaciju misicne celije. 3.2.1. Samoekscitacija Promena propustljivosti membrane za pojedine jone kod nekih celija moze biti svojstvo same membrane, pa se u torn slucaju promena potencijala javlja spontano [5]. S obzirom na cinjenicu da akcioni potencijal nastaje kada se membranski potencijal iz bilo kog razloga (spontano ili spoljnom aktivacijom) promeni do odredene granice, ove celije imaju sposobnost da spontano stvaraju impulse. Pojava spontanog stvaranja impulsa se naziva samoekscitacija. -11 -
Neke srcane celije imaju sposobnost samoekscitacije [6]. Celije koje formiraju SA (sinoatrijalni) cvor u srcu imaju tu sposobnost u najvecoj meri. U vlaknima SA cvora potencijal mirovanja iznosi oko -55 mv. Pri torn nivou negativnosti brzi natrijumski kanali se uglavnom inaktiviraju. Naime, uvek kada se membranski potencijal duze od nekoliko milisekundi zadrzava na vrednosti koja je manje negativna od -60 mv, zatvaraju se vrata tih kanala sa unutrasnje strane celijske membrane i ostaju zatvorena. U torn slucaju mogu se otvoriti samo spori kalcijumsko-natrijumski kanali, sto onda izaziva pojavu akcionog potencijala. Celijske membrane vlakana SA cvora su prirodno propusne za natrijumove jone, te natrijumovi joni teku ka unutrasnjosti vlakana SA cvora kroz brojne membranske kanale. Ovaj influks pozitivnih naelektrisanja ima za rezultat podizanje membranskog potencijala. Kada se dostigne prag okidanja od oko -40 mv, onda kalcijumsko-natrijumski kanali postaju aktivirani dovodeci do ulaska kalcijumovih i natrijumovih jona, sto ima zaposledicu nastajanje akcionog potencijala. Tako, u osnovi, svojstvo da su vlakna SA cvora propusna za natrijumove jone, izaziva njihovu samoekscitaciju. Ca2+-Na+ kanali zatvaraju se za oko 100-150 ms posle otvaranja i otprilike u isto vreme pocinje otvaranje vrlo velikog broja kalijumskih kanala. Difuzija velikih kolicina pozitivnih kalijumovih jona iz vlakna, ima za rezultat prekidanje akcionog potencijala. Kalijumski kanali ostaju otvoreni jos nekoliko desetih delova sekunde, omogucavajuci izlazak velike kolicine jona kalijuma iz vlakna, sto privremeno izaziva znacajnu negativnost u vlaknu. To se naziva hiperpolarizacija. Ova hiperpolarizacija na kraju akcionog potencijala, svodi mirovni potencijal membrane na vrednost izmedu -55 do -60 mv. Kroz nekoliko desetih delova sekunde, pocinje da se zatvara sve veci broj kalijumskih kanala, a utok pozitivnih natrijumovih jona postaje ponovo veci. Membranski potencijal postaje sve manje negativan, sve dok ne dostigne vrednost praga za okidanje akcionog potencijala, kada citav proces pocinje iz pocetka. SA cvor se aktivira u regularnim vremenskim intervalima oko 72 puta u minuti. Taj proces se neprekidno ponavlja tokom citavog zivota. 3.3. Elektrografija Svi potencijali koji nastaju u zivom organizmu nazivaju se biopotencijali, a struje koje oni izazivaju biostruje. Elektricno registrovanje biostruja i biopotencijala u ljudskom organizmu naziva se elektrografija [1]. Biopotencijali se, kako je vec ranije predoceno, javljaju u celijama, tkivima i organima u procesu zivotnih funkcija. Oni se sastoje iz potencijala mirovanja i akcionog potencijala. Potencijali pojedinih celija se sabiraju i formiraju zajednicku potencijalnu razliku, koja se moze meriti izmedu pojedinih tacaka organa ili tkiva. Registrovanje vremenskih promena ovih potencyalskih razlika i njihova analiza daju vredne podatke o funkcionisanju pojedinih organa ili tkiva (misica). Na ovaj nacin se mogu registrovati promene biopotencijala misica elektromiografija - EMG, srca elektrokardiografija - EKG, mozga elektroencefalogrqfija - EEG, mreznjace ili retine elektroretinogrqfija - ERG, pomeranje oka elektrookulografija - EOG. Neki fizioloski parametri ovih signala [11] dati su u tabeli 3.3.1. Tabela 3.3.1. Napon i frekventno podrucje elektricnih signala u organizmu Parametar Elektrokardiogram EKG Elektroencefalogram EEG Elektromiogram EMG Elektroretinogram ERG Elektrookulogram EOG Napon (mv) 0.01-5 0.01-0.2 0.02-0.3 0-1 0.05-5 Frekventno podrucje (Hz) 0.05-85 0.5-60 10-25.000 0-25 - 12-
Generisanje elektricnih signala u Ijudskom organizmu-elektricni signali srca 3.4. Elektricni signali srca 3.4.1. Osnovi anatomije srca Gomja suplja vena TftKuspidalnl zalisd Don a suplja vena Glava I gomji ekstremileli ] Plufina vena Leva prelkomora Vaivula aorte Mitralna valvula Leva komora Slika3.4.1.1. Grada srca i smer kojim krv tece kroz srcane supljine Sinoatrijski (vor Atrlovinuuuiski Jyoi DESNA 6RANA ija jronilcd -gornja graniict Slika 3.4.1.2. Polozaj delova provodnog sistema u srcu Srce (lat. cor) [8] ima oblik trostrane piramide i polozeno je tako da mu je vrh okrenut nanize, napred i ulevo, a baza navise udesno i nazad prema kicmenom stubu. Srce je centralni organ sistema za krvotok. Supljina srcanog misica je podeljena dvema pregradama, uzduznom i poprecnom, na cetiri dela: dva gornja i dva donja dela. Gornje supljine zauzimaju bazu srcane piramide i nazvane su srcane pretkomore (pretkomora = atrijum). Pretkomore su leva i desna. One su odvojene jedna od druge medupretkomornom pregradom. Donje supljine obuhvataju najveci deo srcane piramide i njen vrh i nazivaju se srcane komore (komora = ventrikul). Komore su, kao i pretkomore, leva i desna, a razdvaja ih medukomorna pregrada. Svaka pretkomora je spojena sa odgovarajucom komorom preko pretkomorno-komornog otvora. Grada srca i smer kojim krv tece [6] kroz srcane supljine prikazani su na slici 3. 4.1.1. U desni atrijum, preko donje i gornje suplje vene, uliva se [2] sva venska krv iz organizma. Desni atrijum se kontrahuje i pumpa krv u desni ventrikul. Kontrakcijom desnog ventrikula pumpa se krv u pulmonarni krvotok. U plucima se krv oksigenizuje, a zatim vraca u levi atrijum. Kontrakcija levog atrijuma potiskuje krv u levi ventrikul, koji se takocte kontrahuje i pumpa krv u sistemski krvotok i to prvo kroz arterije i arteriole, zatim kroz kapilare i na kraju kroz vene odakle se vraca u desni atrijum. Kontrakcija levog i desnog atrijuma je sinhronizovana, a isto tako i kontrakcija levog i desnog ventrikula. Prema tome, srce kao misicna pumpa ritmickim kontrakcijama utiskuje krv iz vena u arterije. Specificni provodni sistem [5] u srcu sluzi za odrzavanje srcanog ritma i transmisiju akcionog potencijala kroz srcanu muskulaturu, sto omogucuje kontrakciju. Provodni sistem srca, koji funkcionalno predstavlja nerazdvojnu celinu, moze se sematski podeliti na sledece delove (slika3.4.1.2): o sinoatrijski (SA) cvor o atrioventrikulski (AV) cvor o Hisov snop sa granama i o mreza Purkinjeovih celija - 13-
Ritmicka aktivnost srca inicirana je i kontrolisana elektricnim signalom, koji se generise u specijalizovanim celijama, koje formiraju SA cvor. SA cvor ima ovalni izgled, duzine 2 do 3 cm, precnika oko 5 um. Smesten je u desnoj pretkomori u zadnjem delu interatrijske pregrade, proksimalno od usca gornje suplje vene, na spoju gornje suplje vene i desne pretkomore. SA cvor je povezan sa atrioventrikulskim cvorom prednjim, srednjim i zadnjim internodalnim putem i jednim putem sa levom pretkomorom. AV cvor je smesten u donjem delu centralnog interatrijskog fibroznog tkiva, vise na desnoj strani. AV cvor se deli u tri dela: atrionodalni, nodalni i nodalno Hisov deo. U nodalno Hisovom delu celije AV cvora stvaraju mrezu fibrila uzduzno rasporedenih, koje se nastavlja u Hisov snop. Hisov snop zapocinje skupljanjem AV cvora u prostu misicnu mrezu. Deli se u dva dela: penetrirajuci i granajuci (distalni). Distalni deo Hisovog snopa za 5 do 15 mm prolazi nadole u komorski septum (pregrada) prema vrhu srca. Tada se snop deli na levu i desnu granu koje se nalaze ispod endokarda odgovarajuce strane septuma. Svaka grana pruza se prema vrhu odgovarajuce komore, a tu se deli na sitnije ogranke koji se rasprostiru po srcanim komorama i na kraju se vracaju prema bazi srca (mreza Purkinjejevih celija). 3.4.2. Akcioni potencijali srcanih celija Tkivo miokarda se sastoji iz dve grupe funkciono i strukturno razlicitih celija [7], to su: celije radne muskulature, koje omogucavaju kontrakciju miokarda i celije provodnog sistema srca, koje stvaraju i provode nadrazaje Akcioni potency al celija radne muskulature pretkomora i komora prikazani su na slici 3.4.2.l.d i 3.4.2.l.e, respektivno. Akcioni potencijal celija pretkomora odlikuje se naglim, uzlaznim krakom sa ostrim vrhom, posle koga odmah nastaje silazni krak (nema faze 2, tj. platoa), tako da se repolarizacija odvija neposredno posle zavrsene depolarizacije. Akcioni potencijal celija miokarda komora bilo je ranije detaljno objasnjeno u poglavlju 3.2. Slika 3.4.2.1. Akcioni potencijal celija: a) sinusnog cvora; b) atrioventrikulskog cvora; c) purkinjeovih celija; d) miokarda pretkomora i e) miokarda komora Akcioni potencijal celija provodnog sistema [5] razlikuje se ne samo od celija radne muskulature vec i medusobno (slika 3.4.2. l.a.b.c.). Pri normalnoj provodljivosti velicina membranskog potencijala ovih celija u miru krece se od -50 do -60 mv za SA cvor, -70 mv za AV cvor i -90 mv za Hisov snop i njegove grane. Celije SA cvora imaju najmanji akcioni potencijal [7]. Vrh akcionog potencijala je zaobljen, nema pojave platoa tokom druge faze repolarizacije, vec odmah nastaje silazni krak. Tokom cetvrte faze nastaje unutar samih celija spontani porast elektricnog potencijala do jednog kriticnog nivoa i tada nastaje automatska depolarizacija celija SA cvora. To je ranije detaljno objasnjeno u poglavlju 3.2.1. Celije AV cvora imaju slican akcioni potencijal kao celije SA cvora, samo sto se u ovim celijama porast elektricnog potencijala tokom cetvrte faze sporije odvija (automatizam je sporiji). Celije Hisovog snopa, kao i njegovih grana (Purkinjeovih vlakana) imaju osobit akcioni potencijal. Njegov ushodni krak je brz, nagao. Druga faza odlikuje se izrazenim platoom, a treca faza nishodnim krakom. Trajanje akcionog potencijala je dugo tako da je refrakterni period ovih celija najduzi. I ove celije imaju sposobnost spontanog stvaranja impulsa. -14-
3.4.3. Povezanost ekscitacije i kontrakcije. Molekularna osnova kontrakcije Slika 3.4.3.1. Vrh levo: raspored tankih i debelih filamenata u skeletnom misicu. Vrh centar: detalji strukture miozina i aktina. Vrh desno: klizanje aktina na miozinu za vreme kontrakcije. Dno:dijagramska reprezentacija rasporeda aktina, tropomiozina i tri subjedinice troponina (I, C i T) formiraju okrugle glavice (slika 3.4.3.1.). Glavice miozinskih niti sadrze mesto koje vezuje aktin i kataliticko mesto za hidrolizu ATP. Glavice miozinskih molekula grade poprecne mostove do aktinskih niti. Tanke niti izgradeni su od dva lanca globularnih jedinica koje cine dugi dvostruki heliks (slika 3.4.3.1.). Molekuli tropomiozina su duge niti smestene u zljebu izmedu dva aktinska lanca. Molekuli troponina su male, okruglaste jedinice koje su, u razmacima, smestene duz molekula tropomiozina. Elektronska mikrografija srcanog misica prikazana je na slici 3.4.3.2. Poprecna ispruganost muskulature police od razlika u indeksu prelamanja svetlosti za razne delove misicnog vlakna i direktna je posledica karakteristicnog rasporeda tankih i debelih niti. Predeli poprecne ispruganosti oznaceni su slovima [7]: svetla I zona podeljena je tamnom linijom Z, a tamna A zona ima u svom centru svetliji pojas H. Poprecna linija M vidi se u sredini pojasa H. Podrucje izmedu dve susedne linije Z naziva se sarkomera. Svetlu (izotropnu) I zonu cine tanke niti koje se sa strane pripajaju na tamne Z linije. Ove tanke niti se nalaze izmedu debljih i zajedno sa njima grade tamnu (anizotropnu) A zonu. Svetla traka H predstavlja mesto do koga ne dopiru tanke niti. M linija nastaje usled sredisnjih zadebljanja na debelim nitima. Na ovim mestima postoje tanke poprecne veze koje drze debele niti u odgovarajucem rasporedu. Elektronska mikroskopija miokarda pokazala je u nivou linije Z tin Svako srcano misicno vlakno [5] je jedna pojedinacna celija (celija radne muskulature), dugog i cilindricnog oblika. Misicna vlakna sastoje se od vlakanaca, a vlakanca su sastavljena od niti kontraktilnih proteina. U kontraktilne proteine spadaju: miozin, aktin, tropomiozin i troponin. Troponin grade tri podjedinice: troponin I, troponin T i troponin C. Debele niti koje imaju dva puta veci precnik od tankih, gradene su od miozina, dok tanke niti gradene su od aktina, tropomiozina i troponina. Molekul miozina je asimetrican, sa delovima Slika 3.4.3.2. Elektronska mikrografija srcanog misica duboke invaginacije sarkoleme (celijske membrane) u unutrasnjost misicnog vlakna. Ove invaginacije celijske membrane formiraju transverzalne tubule ili T-tubularni sistem [5]. U srcanim misicnim celijama nalazi se bogata mreza sarkoplazminog retikuluma ciji su krajevi u bliskom kontaktu sa T-tubulima. Misicna vlakna se granaju i preplicu [6], ali svako misicno vlakno predstavlja okruzenu celijskom membranom. Na mestu gde se kraj jednog misicnog vlakna granici membrane oba vlakna protezu se paralelno kroz seriju nabora. Ova podrucja, koja se uvek/javljaju u!?'.- '?«Writ -15- ' koji * 8 '.J''"
nivou linije Z, nazvana su interkalatni diskovi (prelazne ploce), u kojima se nalaze porozne veze (gap junctions') cija je osnovna karakteristika velika propustljivost. Porozne veze olaksavaju provodenje elektricnih impulsa sa jedne na drugu misicnu celiju. Zbog toga ako se podrazi samo jedna celija, akcioni potencijal prelazi na drugu i tako se siri na sve ostale misicne celije, pa mozemo reci da srcani misic predstavlja funkcionalni sincicijum. Srce je sastavljeno od dva odvojena sincicijuma: pretkomorski sincicijum, koji cini zidove obe pretkomore i komorski sincicijum, koji sacinjava zidove obe komore Oni su odvojeni jedan od drugog vezivnim tkivom koje se nalazi oko otvora izmedu pretkomora i komora. Izraz povezivanje ekscitacije i kontrakcije oznacava mehanizam kojim akcioni potencijal Izaziva kontrakciju mioflbrila u misicu. Talas ekscitacije (sirenje akcionih potencijala) se siri duz celog srcanog misica zahvaljujuci cinjenici da je srcani misic funkcionalni sincicijum. Kada akcioni potencijal putuje [5] duz sarkoleme, zahvata i njene Kdleholomin - = inhibictja + - akiiviiacijo Na-K pumpa No' Kardiotitm gitkozidi invaginacije T-tubule. Za vreme platoa akcionog potencijala povecava se propustljivost za Ca2+ kroz sarkolemu i joni kalcijuma ulaze u celiju kroz kanale za Ca2+ koji se nalaze u sarkolemi. Kolicina Ca2+ koja ude u celiju kroz kanale nije dovoljna da dovede do misicne kontrakcije, ali je to okidac (trigger Ca +) za dalje oslobadanje Ca2+ iz Mlji ne njegovih intracelularnih depoa, u prvom redu iz Slika 3.4.3.3. Sematski dijagram dogadaja u povezanosti ekscitacije i kontrakcije sarkoplazminog retikulu- (objasnjenje u tekstu) ma. Na taj nacin se koncentracija Ca2+ u citosolu znacajno povecava, a joni kalcijuma se vezuju za troponin C. Ovo vezivanje Ca + za troponin C predstavlja pocetak molekularnih promena na kontraktilnim proteinima. Sematski prikaz dogadaja u povezanosti ekscitacije i kontrakcije data je na slici 3.4.3.3. Kada misic miruje troponin I je cvrsto vezan za aktin, a tropomiozin pokriva mesta na kojima se miozinske glavice vezuju za aktin. Tako troponin-tropomiozinski kompleks predstavlja jedan relaksirajuci protein koji sprecava interakciju izmedu aktina i miozina. Kada se Ca + veze za troponin C verovatno oslabi veza izmedu troponina I i aktina, sto omogucava tropomiozinu da se pomeri u stranu. Ovo pomeranje otkriva vezna mesta za miozinske glavice, tako da dolazi do cepanja ATP i nastaje kontrakcija. Glavice molekula miozina vezuju se za aktin pod uglom od 90 i zaveslajem uzrokuju kretanje aktina po miozinu. Glavice se zatim razdvajaju i vezuju na sledecem veznom mestu, ponavljajuci ovaj proces u serijama. Svaki pojedinacni ciklus pripajanja, zaveslaja i odvajanja skracuje misic. Svaki debeli filament sadrzi oko 500 miozinskih glavica i svaka od njih obavi oko pet ciklusa u sekundi za vreme brze kontrakcije. Pri kontrakciji irina zone A se ne menja samo se Z linije priblizavaju jedna drugoj, tj. skracuje se sarkomera. Ubrzo posle oslobadanja Ca2+ u sarkoplazminom retikulumu pocinje njegova ponovna akumulacija, aktivnim transportom u longitudinalne delove retikuluma. Sarkoplazmin retikulum preuzima kalcijum dejstvom pumpe za Ca2+ na membrani retikuluma. To dovodi do smanjenja koncentracije Ca2+ u citosolu i prestanka kontrakcije, odnosno do relaksacije. Energiju za ovaj aktivni transport takode obezbeduje ATP, tako da i kontrakcija i relaksacija misica zahtevaju ATP, tj. energiju. - 16-
Zbog toga se srcani misic cesto naziva masina za pretvaranje hemijske u mehanicku energiju. Smanjeno vezivanje Ca2+ za troponin C omogucuje tropomiozinu da ponovo blokira mesta interakcije aktinskih i miozinskih niti, a to doprinosi relaksaciji misica. Za vreme relaksacije, Ca2+ koji je usao u celiju izbacuje se iz nje u razmeni za Na+ u odnosu 1 : 3 ili aktivnim izbacivanjem dejstvom kalcijumove pumpe. Zbog toga kontrakcija prestaje sve dok se ne pojavi novi akcioni potencijal. Iz svega navedenog lako je zakljuciti da svako povecanje intracelijske koncentracije kalcijuma povecava kontraktilnost misica, a svako smanjenje njegove intracelijske koncentracije smanjuje kontraktilnost. Kontraktilnost je odredena brzinom klizanja aktinskih i miozinskih niti. Sto je brze klizanje tankih niti preko debelih, to je veca kontraktilnost. Trajanje kontrakcije [6]: srcani misic pocinje da se kontrahuje nekoliko milisekundi posle pocetka akcionog potencijala i nastavlja sa kontrakcijom jos nekoliko milisekundi posle zavrsetka akcionog potencijala. Prema tome, trajanje kontrakcije srcanog misica uglavnom zavisi od trajanja akcionog ms potencijala. U pretkomorskom misicu iznosi oko 0.2 s, a Slika 3.4.3.4. Akcioni potencijal i pojedinacna kontrakcija srcane misicne celije sisara, predstavljena na istoj vremenskoj osi u misicu komora oko 0.3 s. Slika 3.4.3.4. [5] pokazuje akcioni potencijal i pojedinacnu kontrakciju srcane misicne celije sisara predstavljenu na istoj vremenskoj osi. Na slici se vidi da repolarizacija jos nije zavrsena, a pojedinacna kontrakcija je vec presla polovinu vremena svog trajanja. Celije specificnog provodnog sistema razlikuju se od celija radne muskulature srca jer sadrze manji broj miofibrila. To znaci da se vlakna specificnog provodnog sistema gotovo uopste ne kontrahuju [6] za vreme stvaranja i provodenja impulsa. 3.4.4. Odvijanje aktivacije normalnog srca U sinoatrijalnom cvoru se generise akcioni potencijal [5]. Zavrsetci vlakana SA cvora spajaju se sa vlaknima pretkomorskog miokarda. Na taj nacin elektricni signal, generisan u SA cvoru, inicira depolarizaciju celija levog i desnog atrijuma, sto dovodi do kontrakcije oba atrijuma i pumpanja krvi u ventrikule. Iza toga nastaje repolarizacija i relaksacija misica atrijuma. Elektricni signal iz SA cvora prelazi u AV cvor. AV cvor i njemu pridruzena provodna vlakna su glavni faktor koji usporava provodenje srcanog impulsa od pretkomora do komora. To usporavanje provodenja [6] omogucava dovoljno vremena pretkomorama da isprazne svoj sadrzaj u komore pre nego sto zapocne kontrakcija komora. Impuls, posto se pojavio u SA cvoru, putuje kroz internodalne puteve do AV cvora oko 0.03 s. Medutim, od tada pa dok impuls ne stigne u Hisov snap, prode dodatnih 0.09 s. Specijalno svojstvo Hisovog snopa je sto omogucava provodenje samo u jednom smeru i to unapred od pretkomora ka komorama. Misici pretkomora su odvojeni od misica komora jednom neprekidnom fibroznom barijerom. Ova barijera se normalno ponasa kao izolator koji sprecava prolaz srcanog impulsa izmedu pretkomora i komora bilo kojim drugim putem osim jednosmernog provodenja kroz Hisov snop. Od trenutka kada srcani impuls ude u Hisov snop do trenutka kada stigne do zavrsetaka Purkinjijevih vlakana prode oko 0.03 s. To znaci da se srcani impuls kada jednom ude u Purkinjijev sistem, skoro trenutno prosiri po citavoj endokardnoj povrsini misica komora. Zavrsna Purkinjijeva vlakna nastavljaju se na misicne celije te kada srcani impuls stigne do zavrsetaka Purkinjijevih vlakana, inicira depolarizaciju levog i desnog ventrikula pracenu njihovom kontrakcijom i pumpanjem krvi u sistemski, odnosno pulmonarni krvotok. Nakon toga dolazi do repolarizacije misica ventrikula i njihove relaksacije, a zatim pocinje novi ciklus. Srcani ciklus predstavlja period od zavrsetka jedne kontrakcije komora do zavrsetka druge kontrakcije. On se deli na dva razdoblja: period relaksacije, -17-